程国忠
黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司
摘要：隧道工程中，隧道围岩结构的稳定性与工程安全存在密切联系，大部分施工单位都认识到了保持隧道围岩稳定的重要性，但受到技术水平限制和设计能力限制，很难处理好隧道围岩和支护结构之间的关系，致使在相互作用关系无法有效控制的情况下，可能对隧道围岩结构的稳定性造成不良影响。一般而言，隧道施工中，仅注重提升支护结构的荷载性能以及抗压性能，并未认识到支护结构还可能会带给围岩结构一个方向作用力，在其作用力过大的情况下就极易影响围岩结构稳定性，这也突出了对二者的相互作用关系进行研究的重要性。
关键词：隧道围岩；支护结构；相互作用
一、隧道围岩与支护结构的力学特征分析
在进行隧道施工之前，围岩结构与其他地质构造属于平衡受力的状态，而在操作施工后，进行隧道开挖时，会使原本的平衡状况被打破，此时受到围岩结构自身重力和与其他地质构造关系的双重影响，很容易产生围岩位移的现象。在隧道开挖质量得到有效控制的情况下，断面形态良好，此时的围岩结构位移变化较小，且在一定的时间内停止位移，此时的围岩结构将趋于平稳。相反的，当隧道开挖施工不合理时，围岩的位移量将不断增大，最终产生围岩结构整体稳定度降低的问题。隧道施工的作业环境决定了其需要面临较为复杂的安全隐患，其中以围岩结构坍塌的安全影响最为严重，为此，在具体施工中需要结合施工实际，在隧道部分搭建支护结构，用于稳定围岩结构。支护结构的主要作用为，借助支架的支撑作用力代替原有围岩结构的支撑力，有效维护围岩结构的受力平衡，从而为隧道施工营造安全的作业环境。
相关研究认为，受到流变力的影响，围岩结构的平衡状态在被打破后，其结构的变形量会随着时间的推移而加剧，在采用支护结构的情况下，虽然可以在短时间内控制围岩变形量，但在后期也会由于围岩结构的变形量影响增加支护结构的荷载压力，而此时的支护结构也会给出围岩结构一个反向的作用力，在反向作用力的影响下，围岩结构的蠕变特性将受到直接影响。在这一过程中，围岩结构变形时所释放的作用力与支护结构所产生抗压作用力将处于相互作用的关系，当支护结构的强度足够大时，便可在相互作用的状态下产生平衡，进而实现控制结构稳定性的目的。
二、分析影响围岩压力的相关因素
围岩压力的成因决定了其影响因素的众多，一般可以从性质上分为两大类：第一类是客观存在的自然地质因素，包括岩体的结构特征、结构面性质和空间组合、岩石的物理力学性质、初始应力尝地下水状况等等；另一类是工程活动中的人为因素，包括隧道开挖断面的尺寸和形状、开挖工序及施工方法、支护结构的施作时间等等。
三、确定围岩应力的方法
1、测量法
该种方式较为直观，是借助相关的工具对围岩应力进行检测的方法。从现阶段来看，主要测量方式为，在支护结构的特定部位使用土压力盒进行测量。但从力学的角度来分析，采取此种方式得出的参数并不能代表围岩应力参数，而是围岩和支护结构的接触压力，同时也存在其他的作用力。
2、工程类比
类比法指的是，根据往期大量的工程资料所总结出的一系列围岩压力确定资料，通过对比具体工程与前期工程资料的方式来判断围岩压力的等级，从而为后续的支护施工提供参考。
3、理论评估法
它是从实践出发结合理论的方向研究围岩压力的一种估算方法，以实践为依据，在一定的假设条件下，通过理论计算得到围岩压力。
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四、隧道施工中围岩和支护结构的相互作用分析
1、隧道围岩和支护结构相互作用的力学描述
岩体结构在未受到外力影响的情况下，与其他地层结构处于受力平衡的状态，这种平衡状态是岩体发生位移后，与其他结构的受力情况相适应，从而产生的相对平衡关系。相关研究人员将此种平衡应力状态称之为初始应力常在平衡状态下的岩体应力分布主要为上层构造的重力和自身重力以及结构应力。而在发生地层运动时，还会增加一部分构造应力，此时的岩体会因应力变化影响而产生位移，在达到一定程度后趋于平稳。由于影响岩体结构稳定性的因素有很多，应力分布较为复杂，很难通过测量和分析得出具体的应力参数，为此仅能通过试验的方式确定相关的应力参数。进行支护结构搭建时，也仅将岩体的重力考虑在内，通过提升支护结构的荷载能力和刚度来达成稳定结构的目的。
2、开挖模拟分析
利用ABAQUS进行隧道的开挖模拟，第一步需要进行初始应力场的平衡：首先计算整个未开挖岩体的自重应力场，将计算出来的自重应力场写入inp文件，并将其定义为初始应力场；然后将此inp文件读入，和重力荷载一起施加于原始模型，就可以得到既满足平衡条件又不违背屈服准则的初始应力，保证各节点的初始位移近似为0。第二步进行开挖分析，把第一步计算出来的初始应力文件读入开挖模型，就可以直接进行开挖计算，所输出的应力场和位移场就是开挖后的总应力场和仅由开挖引起的附加位移常通过编辑关键语*model change,remove和add，可以简单有效的模拟隧道的开挖以及支护过程如下：
（1）先对整个模拟区域来划分网格，初始状态下将岩体单元均激活，移除喷射混凝土和锚杆单元，计算初始应力，并平衡初始应力场，使初始位移近似为0；
（2）进行开挖过程的模拟，每个开挖阶段由两个分析步完成，第一个分析步改变开挖岩体的温度场变量，减小开挖岩体的弹性模量，使开挖岩体"软化"，模拟围岩的应力释放；第二个分析步开挖掉岩体，重新生成刚度矩阵，然后添加衬砌和锚杆，计算当前开挖步的应力和变形；
（3）重复上步，直至开挖完毕。
3、分析锚杆与围岩的相互作用
锚杆在锚喷支护体系中主要承受轴向拉力，由于数量众多加之截面积比较小，本文采用三维析架单元来模拟，该单元模型只能产生轴向应力，模拟较为理想。锚杆对围岩的作用，考虑施工过程，采用将锚杆分步嵌入周围岩体的方法，即ABAQUS提供的Embedded的约束方式。
4、分析喷层与围岩的相互作用
实际工程中，喷射混凝土是在隧道开挖之后，立即加到开挖岩体断面上的。喷射混凝土在施作的时候，围岩的应力始终处于变化状态，在混凝土强度达到设计强度之前，围岩释放的这一部分应力由围岩自身承受，本论文通过设置温度场来考虑支护施作的时间效应。对于喷射混凝土与围岩之间的相互作用，引入接触面的概念，建立两种有限元计算模型来进行比较分析。
结语：隧道工程作为公路桥梁工程的要点组成部分，其自身的施工质量和结构稳定性直接关系到公路桥梁工程的运行安全。而在隧道开挖施工中，围岩结构的稳定性很难保障，这为隧道施工安全带来了较大难度。分析围岩结构的应力分布，设立支护结构成为维系围岩结构稳定性的重要措施，但实际施工中也应关注到支护结构与围岩结构之间的作用力关系，正确处理双方的作用力关系方能保障围岩结构的稳定性。
参考文献：
[1]高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机理分析[D].兰州交通大学,2012.
[2]李之达,康冕,靳华蕾,等.隧道施工中围岩与支护结构的黏弹性分析[J].固体力学学报,2013,34(6):620-627.
论文作者:程国忠
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第12期
论文发表时间:2019/9/19
标签：围岩论文; 结构论文; 应力论文; 隧道论文; 相互作用论文; 作用力论文; 位移论文; 《中国西部科技》2019年第12期论文;